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El Sonar

Origen de la palabra Sonar

     Proviene del inglés "Sound Navigation and Ranging". Es el equipo, medio y propiedades que sirve al estudio y aprovechamiento de la propagación del sonido en el agua y su utilización para determinar la ubicación, características, distancias, velocidad, etc. de objetos, formaciones rocosas, como así también costas y lecho submarino. No debemos olvidar su utilización para las comunicaciones y la observación. El sonar reemplaza al radar en el agua, ya que este último opera a través de ondas electromagnéticas que, debido a la alta conductividad del medio acuático, se pierden sin lograr su objetivo. El sonar se vale de ondas acústicas, de fácil propagación en el medio antes nombrado.

     Las ondas electromagnéticas son transversales mientras que las acústicas son longitudinales, por tanto las primeras pueden polarizarse mientras que las segundas no; la velocidad de propagación en las primeras varía inapreciablemente con las características cambiantes del medio, mientras que el sonido aumenta su velocidad a medida que decrece la compresibilidad del medio, lo que tiene una gran incidencia en el aspecto de la propagación. En el mar la compresibilidad es función de variables como la salinidad, la temperatura y la presión.

Antecedentes históricos

      Una de las primeras referencias al hecho de que el sonido se propaga en el mar se debe a Leonardo Da Vinci, que en 1490 escribía: "Si paras tu barco e introduces el extremo de un tubo en el agua, y aplicas el oido al otro extremo, oirás barcos que se encuentran a gran distancia de tí".
      Este primer ejemplo de sistema SONAR tiene en su sencillez, los principios básicos de un sonar pasivo actual:

Todos los barcos al navegar producen ruido aunque no sean de motor. Se detiene el barco propio para reducir el nivel de ruidos.

Se introduce un tubo en el agua para transmitir las ondas acústicas desde el medio acuático al medio aéreo para ser captadas por el oído humano.

      La primera medición de la velocidad del sonido en el agua fue obtenida en 1827 por el físico suizo Daniel Colladon y el matemático francés Charles Sturn en el lago Ginebra. El resultado de su medida fue de 1434 mts./seg. que es muy precisa para la época en que se realizó dicha medición.
      Durante el siglo XIX y tras la enunciación del cálculo infinitesimal Fourier formula las "series trigonométricas infinitas" y Ohm, aplica las mismas para descomponer sonidos reales en series de tonos puros. Este es un importantísimo descubrimiento ya que es la base del actual Análisis en Banda Estrecha que permite la identificación precisa de la fuente que genera el ruido.
      En 1440 se descubre el fenómeno de la "magnetoestricción" que provoca el cambio de la forma de algunos materiales cuando son atravesados por un campo magnético y en 1880 Jacques y Pierre Curie descubren la "piezoelectricidad", que es la propiedad de algunos cristales de desarrollar cargas eléctricas en varias de sus caras al someterlos a presión.
      En 1912 Fesseden desarrolla el primer emisor submarino capaz de trabajar como transmisor y receptor en el margen de frecuencia entre 500 y 1000 Hz. En 1914 trás la pérdida del TITANIC demostró la utilidad de su invento midiendo la distancia a un iceberg situado a 2 millas de distancia. La posterior aplicación de los amplificadores electrónicos a las seqales captadas hizo que los sistemas no tuvieran que depender exclusivamente de la sensibilidad del oido humano.
      En 1915 Lord Rayleigh descubre que el oido humano es capaz de determinar la dirección de un fuente sonora por la diferencia de fase o tiempo de la onda sonora al llegar a ambos oidos, y se desarrollan sensores biaurales para determinar la dirección de la que proviene el sonido. Este sistema en funcionamiento en los submarinos alemanes causó graves pérdidas a los aliados. El éxito obtenido propició la investigación con sistemas ópticos, térmicos y magnéticos, siendo el resultado más favorable el obtenido mediante el sonido.
      En 1917 el físico francés Paul Lagevin usando un sistema piezoeléctrico de cuarzo sintonizado a una fecuencia de 38 KHz., consigue formar un haz de energía capaz de determinar la dirección y la distancia a un objeto sumergido, llegando a detectar un submarino a 1500 mts. Por el mismo periodo científicos ingleses dirigidos por Boyle trabajan en el secreto proyecto ASDIC para la obtención de un sistema eficaz de detección submarina.
      Los primeros estudios sobre propagación se llevaron a cabo por científicos alemanes en 1919 que descubren la influencia de la temperatura, salinidad y presión en la velocidad del sonido y el comportamiento de los rayos sonoros al atravesar estratos de distinta velocidad de propagación.
      El desarrollo de la aústica submarina se ralentizó considerablemente en el periodo entre las dos Guerras Mundiales. Se había hecho un notable esfuerzo para reducir el nivel de ruido radiado por los buques, por lo cual las investigaciones se centraron en los sistemas activos.
        En 1925 la empresa Submarine Signal Company presenta comercialmente el primer sondador, aparato capaz de determinar la distancia al fondo desde la superficie. Debido a que el tratado de Versalles no permitía a la Marina Alemana tener submarinos ni aeroplanos, los estudios se centran en la aplicación del SONAR como un sistema defensivo. El detenido estudio de los ruidos emitidos por la maquinaria, hélice y ruido hidrodinámico permite el desarrollo de nuevos tipos de barcos. El resultado de su trabajo fué el GHC, un equipo de escucha que usaba la técnica de formación de haces, esto es, el ruido proveniente de varios hidrófonos se pone en fase retardando las de los adyacentes al elegido como eje para formar una sola vía de audición. Uno de estos equipos se montó en el crucero "Prinz Eugen" y fué decisivo para la evasión del mismo de los masivos ataques de torpedos que después sufrió.
        Desde el punto de vista científico el mayor logro fué la obtención de conocimientos sobre el caprichoso comportamiento de la propagación del sonido en la mar. Las observaciones realizadas por Steinberger sobre la variación del alcance con la temperatura indujo a la invención de un aparato capaz de medir la temperatura del agua a distintas profundidades. En 1937 Spilhaus presenta este aparato llamado "Batitermógrafo".
        Durante la Segunda Guerra Mundial se da un periodo febril en la investigación de nuevas tecnologías y se retoma la acústica. En EE.UU. se crea el NDRC (National Defense Research Commitee) responsable entre otros del proyecto Manhattan con el que se fabricó la bomba atómica. La sección sexta del NDRC realiza un amplísimo programa de acústica submarina llevado a cabo principalmente por la Universidad de California, el Laboratorio de Electrónica Naval de San Diego y la Institución Oceanográfica de Woods Hole. La publicación al finalizar la contienda de los estudios realizados constutuyen aún hoy en día la base de la acústica submarina.
        Al final de la Segunda Guerra Mundial y debido a la aparición de la Guerra Fría las investigaciones continúan en todos los campos. Entre 1944 y 1955 los trabajos de Shannon en EE.UU. y de Gabor y Woodward en Gran Bretaña establecen las bases de la teorí de la información, que aplicada junto a los nuevos desarrollos electrónidos de estado sólido permite desarrollar equipos muy precisos en cuanto a la discriminación del contacto, su distancia y la velocidad a la que navega.
        Los trabajos de eminentes físicos como Knudsen, Wenz, Marsh, Urick y otros identifican los orígenes y características de las distintas fuentes de ruido ambiental existente en el océano. Los mayores logros en este periodo son:

El descubrimiento del motivo de la atenuación a frecuencias inferiores a 100 Hz.

Determinación experimental de la absorción para frecuencias entre 100 Hz. y 1 Mhz..

Medida de las pérdidas por absorción por rebote en el fondo.

Clasificación de las pérdidas y características del canal sonoro profundo y superficial.

Conocimiento de la propagación en aguas polares.

Descubrimiento y esplicación de las zonas de convergencia.

Obtención de diagramas de rayos sonoros y predicción de alcances.

Medida con gran exactitud de la velocidad del sonido en el agua.

        La aparición de submarinos nucleares con capacidad de lanzar misiles nucleares de largo alcance hace cambiar la situación táctica, ya no se trata de detectar un submarino en las proximidades de un convoy sino de vigilar grandes extensiones. Esto implica la vuelta a la detección pasiva que permite mayores alcances. Se comienza a desarrollar grandes redes de escucha submarina tanto fijas como remolcadas por los buques, que además permite alejar la escucha del ruido propio; de este tipo son los sistemas SOSUS (SOund SUrveillance System), TACTAS (TACtical Towed Array Sonar) y SURTASS (SURveillande Towed Array Sensos System) entre otros, utilizados en la actualidad.
        Durante los últimos años se ha intensificado el estudio de bajas frecuencias para detección a grandes distancias y se ha potenciado la reducción al máximo del ruido emitido por los buques. Aparece el análisis espectral de las frecuencias emitidas por un contacto para permitir su exhaustiva clasificación, técnica denominada LOFAR (LOw Frequency Analisys and Recording). La gran cantidad de señales existente en el mar, tanto de origen humano como biológico que proporciona un sonar moderno es gigantesca, por tanto la clave es descubrir un método de proceso que permita eliminar la información no necesaria; para ello se hace uso masivo de la informática y se emplean técnicas de inteligencia artificial.
        Nuevas investigaciones realizadas por el SACLANCEN, órgano de investigación dependiente de la OTAN se dirigen al uso de sonares activos de muy baja frecuencia, debido principalmente al aumento del nivel de ruido en la mar y a la contrucción de barcos cada vez más silenciosos.

Tipos de Sonar

        Existen dos tipos de Sonar: el activo y el pasivo.

        Se llama Sonar Activo al equipo que emplea para detectar objetos bajo el agua el eco que devuelve dicho objeto al incidir sobre él las ondas acústicas emitidas por un transmisor. El Sonar Activo es por tanto similar al radar. Empleando el Sonar Activo se emite un tren de ondas acústicas con una determinada potencia al agua. Un objeto sumergido sobre el que incidan estas ondas, reflejará parte de ellas que volverán hacia el foco emisor. La energía recibida proveniente del objeto es solo una muy pequeña parte de la que se emitió y el camino que recorren las ondas es el doble de la distancia entre el emisor y el objeto.

        El Sonar Pasivo se limita a escuchar el sonido que proviene de los objetos que se encuentran sumergidos.Estos dispositivos reciben directamente el ruido producido por el objeto y el camino que recorre la onda es la distancia existente entre el objeto y el receptor del ruido.
 

        El alcance está limitado por un gran número de factores de factores siendo los más importantes la frecuencia de la onda y la efectividad del medio en el que se propaga la energía. Cuanto más baja es la frecuencia, mayor es el alcance que se obtiene. 
        Con ambos tipos es posible determinar la dirección en la que se encuentra el objeto, pero el sonar activo posibilita obtener la distancia midiendo el tiempo que transcurre entre el momento en que se emite la radiación y el instante en que se recibe el eco si se conoce la velocidad a la que el sonido se propaga en el agua. El sonar pasivo no contempla esa posibilidad, aunque en la actualidad existen medios para obtener la distancia a un objeto midiendo la diferencia de fase en la que las ondas llegan a varios receptores separados entre sí, pero son más complejos y menos fiables.
        En general el sonar activo y el pasivo se complementan para efectuar la detección y el análisis de objetos sumergidos y tanto los submarinos como los buques de superficie con capacidad antisubmarina emplean ambos tipos de forma conjunta.

Usos del SONAR.

      El uso principal de los dispositivos SONAR es de carácter militar y naval por excelencia. Las modernas unidades de las Marinas Militares con capacidad antisubmarina de todos los paises desarrollados disponen de equipos tanto activos como pasivos para realizar la detección, clasificación, seguimiento y ataque de submarinos. Estos a su vez disponen de equipos para la detección de buques de superficie y de contramedidas para evitar o retardar su detecció por dichas unidades. Los dragaminas mecánicos se reemplazan por modernos cazaminas dotados de equipos SONAR de gran precisión y resolución capaces de localizar objetos sumergidos y visualizar su forma o estructura para determinar si se trata de una mina.
        El incesante avance de la electrónica y de la informática aplicada a la acústica submarina ha hecho extender las capacidades de los equipos al análisis del ruido radiado por los barcos, obteniendo así la denominada "firma acústica" que permite identificar cada unidad de forma unívoca al igual que una huella dactilar identifica a una persona; pero a diferencia de las huellas dactilares que son invariables, las firmas aústicas cambian con el tiempo. Esto es debido a que dichas "firmas" proceden en su mayor parte del ruido radiado por la maquinaria a bordo de los buques y dicho ruido varía a su vez con las modificaciones, reparaciones y fatiga de las piezas que la componen. Esto obliga a mantener una información actualizada de inteligencia de unidades navales.
        Gran parte de la tecnología se ha transferido a usos civiles. Es bastante común el uso de sondadores en barcos de todo tipo, medidores de espesor de capas de hielo y otros dispositivos de ayuda a la navegación que usan el sonido o ultrasonido. Otra aportación significativa son los detectores de pesca que permiten la localización de bancos de peces. Los buscadores de tesoros poseen poderosos equipos para la localizació de barcos hundidos.
        Sensores de ultrasonidos se aplican para sistemas de alarma y para realizar mediciones precisas y máquinas de ecografía se emplean a diario para ayuda al diagnóstico en medicina.

Funcionamiento

Trasductores

      Un transductor es cualquier dispositivo capaz de convertir un tipo de energía en otra. Los transductores empleados en acústica convierten energía eléctrica en acústica e inversamente. Así pueden compararse los transductores acústicos empleados bajo el agua con los micrófonos y altavoces usados en el aire pero con las siguientes diferencias fundamentales:

• Un transductor submarino necesita 60 veces más potencia para proyectar la misma cantidad de energía que un altavoz equivalente usado en el aire.
• La presión ejercida por el medio acuático es mayor que la ejercida por el aire y además aumenta con la profundidad, lo que obliga a dotar a los transductores de una cierta resistencia mecácanica.

      Los transductores que trabajan el el agua y convierten el sonido en electricidad se llaman HIDROFONOS, los que realizan el proceso contrario se llaman PROYECTORES. Muchas veces un mismo transductor puede realizar ambos procesos. Las cualidades necesarias en un transductor son la LINEALIDAD (proporcionalidad entre la señal eléctrica y la acústica) y REVERSIBILIDAD (igualdad de movimiento en los dos sentidos de conversión de la energía). Cuando un transductor no posee intrínsecamente linealidad se precisa aplicar una determinada polarización para conseguir este efecto.

 Dependiendo del funcionamiento teórico del sistema los transductores se clasifican según su origen en:

          Explosivos:

Son emisores de señal que generan en el agua mediante una explosión o deflagración un impulso de corta duración y gran ancho de banda. Se aplican en prospección de hidrocarburos, eco-localización marina, posicionamiento y guerra submarina.

          Cañones y chorros de gas o agua:

Son emisores de bajas o muy bajas frecuencias, que funcionan liberando de forma rápida aire, gas, vapor de agua o agua a presión. Los de aire o gas tiene el efecto indeseable de la formación de burbujas; su margen de funcionamiento está entre los 4 Hz. y 1 Khz.. Un caso particular este tipo son los que que se forman a partir de un constreñimiento de la conducción, son los llamados "hidrodinámicos", que cubren un margen de frecuencia entre 10 Hz. y 30 KHz.

          Descargas eléctricas de alta potencia o SPARKERS:

Emisores que generan la señal acústica a través de la descarga entre dos electrodos de un alto potencial eléctrico, que es capaz de vaporizar el agua que rodea a los electrodos y crea una burbuja gaseosa. Su principal inconveniente es la formación de burbujas de grandes dimensiones que interfieren el ancho de banda útil pero que puede paliarse aumentando el número de electrodos y la variación de la frecuencia emitida con la profundidad.

          Dispositivos hidraúlicos:

Emisores que generan una onda continua en lugar de un impulso mediante un motor que mueve hidraúlicamente un pistón para producir el desplazamiento de un diafragma. El espectro de frecuencias es muy bajo, nunca superior a 1 KHz. Presentan el inconveniente de ser de gran dimensión y peso.

          Electrodinámicos:

Emisor cuyo funcionamiento es el mismo que el de un altavoz aéreo. Su principal inconveniente es la débil intensidad acústica generada.

          Electrostáticos:

Son emisores-receptores cuyo funcionamiento es similar al micrófono de condensador. Presentan una gran linealidad por lo que sulen usarse como dispositivo calibrador.

          Piezoeléctricos:

Emisores-receptores basados en la propiedad de algunos materiales naturales como la Sal de Rochelle el cuarzo y el ADP (fosfato diádico de amonio) de adquirir una carga eléctrica entre sus caras si son sometidos a un esfuerzo mecánico e inversamente. Presentan el inconveniente de ser muy sensibles al calor y que algunos como la Sal de Rochelle son solubles en agua, por lo que se usan manteniéndolos en un baño de aceite. Tienen buen rendimiento, pero admiten solo potencias muy bajas.

          Electroestrictivos:

Emisores-receptores con las mismas cualidades que los piezoeléctricos si antes son convenientemente polarizados, es decir, se añade una señal eléctrica junto con la se entrada de forma que la variación de la intensidad acústica dependa linealmente de la señal de entrada exclusivamente. El material que forma el transductor de obtiene a partir de sustancias policristalinas isotrópicas que se calientan por encima del punto de Curie para liberar sus enlaces moleculares, sometiéndolos a una tensión de polarización y dejándolos enfriar lentamente para obtener un cristal anisótropo (su comportamiento al someterlo a presión o tensión no es el mismo en todas sus caras). Debido a ésto se usa la cara del cristal con mayor rendimiento y se intenta anular el efecto de las otras caras. Son materiales de este tipo el Titanato de Bario y el Zirconato de Titanio. Son muy útiles en acústica, ya que pueden moldearse de muy distintas formas y agruparse para obtener la directividad y el modo de funcionamiento más adecuado. Su principal inconveniente es la posibilidad de "despolarización" que puede producirse por alcanzar elevadas temperaturas, ser sometidos a un fuerte campo eléctrico o a sufrir grandes esfuerzos mecánicos.

          Magnetoesctrictivos:

Emisores-receptores construidos con materiales que tienen la propiedad de variar su tamaño al someterlos a un campo magnético y reciprocamente de variar su permeabilidad si se modifican sus dimensiones. Son materiales de este tipo el Niquel, Cobalto, algunas aleaciones de Hierro y ciertas ferritas. La relacción existente entre el campo magnético y las dimensiones del material no es lineal, por lo cual en la mayoría de los casos se precisa la superposición de un fuerte campo magnético estático para conseguir la linealidad. Su principales inconvenientes son el tamaño del núcleo y la limitación de potencia por lo cual se emplean en equipos de pequeño tamaño y poca potencia. Las mayores ventajas son su gran resistencia mecánica y su pequeña necesidad de mantenimiento.

          Otros tipos:

Se experimenta con nuevos tipos de materiales como: Piexopolímeros, como el PVF₂ usado comercialmente en altavoces; Sensores acusto-ópcticos, en los que se utiliza el LASER y la fibra óptica y funcionan a modo de interferómetro; Aleaciones de Tierras Raras y Hierro, Vidrios metálicos y Ferrofluidos que funcionan como los magnetoestrictivos con mayor rendimiento y los Composites, contruidos con pequeñas piezas de piezocerámica embebidas en una base de silicona o poliuretano.

• Mayor sensibilidad tanto activa como pasiva realizando conexiones en serie para obtener mayor voltaje o en paralelo para obtener más corriente.
• Mayor direccionalidad que permite discriminar entre el ruido, generalmente isotrópico, es decir de la misma intensidad en todas direcciones, y la parte de señal que interese.
• La avería de varios elementos no afecta radicalmente al comportamiento del conjunto.
• Es posible formar un lóbulo de mayor respuesta y orientarlo electrónicamente sin necesidad de usar dispositivos mecánicos.

transductor del tipo "TONPILTZ".

Sonar Pasivo

      El propósito del sonar pasivo es la captación de los sonidos emitidos por objetos sumergidos facilitando la información precisa para obtener la dirección del objeto, analizar su movimiento y posibilitar su identificación.
      Un moderno sistema de sonar pasivo está formado esencialmente por tres subsistemas especializados dedicados respectivamente a:

• Captación de la señal acústica.
• Proceso de la señal.
• Lectura y medición de la señal procesada.

Sonar Activo

      El SONAR activo basa su funcionamiento en la detección del eco devuelto por un objeto sumergido al incidir sobre él un tren de ondas acústicas emitidas por un proyector, con el propósito de detectar objetos sumergidos y obtener información de su dirección, distancia y analizar su movimiento.
      Los sistemas de SONAR activo actuales tiene también capacidad de funcionar como SONAR pasivo con ciertas limitaciones impuestas por la superior dureza del transductor y el margen más estrecho de frecuencias que es capaz de recibir.
      Un sistema moderno de SONAR activo esta compuesto esencialmente de los siguientes subsistemas:

• Base acústica.
• Selección y conmutación.
• Emisor.
• Receptor.
• Lectura y medición de la señal recibida.

Sonido

      Se dice que hay un sonido cuando una perturbación mecánica se propaga por un medio material y llega a un receptor con capacidad para producir en él una sensación. Por tanto para que exista sonido deben existir:

• Un elemento capaz de producir una perturbación mecánica,
• Un medio capaz de propagar la perturbación.
• Un oyente sobre el cual se produce una sensación auditiva.

          Inercia:

Permite a un elemento del medio transferir energía al elemento contiguo, y está relacionada con la densidad del medio.

          Elasticidad:

Produce una fuerza en el elemento desplazado que tiende a llevarlo a su posición de equilibrio.

          Intensidad:

Distingue un sonido fuerte de uno débil.

          Tono:

Distingue un sonido grave de uno agudo.

          Timbre:

Distingue dos sonidos de la misma intensidad y tono, pero producido por distintas fuentes.

Ondas

      En cuanto al sonido se pueden considerar tres tipos de ondas.

          Ondas planas:

      Debe notarse que solo se propaga la vibración, es decir, las partículas del medio solo vibran alrededor de su posición de equilibrio.
      Las ondas sónicas producidas por el pistón son PLANAS porque de desplazan en una sola dirección y transmiten la vibración en el mismo instante a todas las particulas del plano.

           Ondas cilíndricas:

Si la superficie de produce la perturbación es un cilindro cuya superficie está vibrando, los frentes de onda son también superficies cilíndricas paralelas a la fuente.

           Ondas esféricas:

Se producen cuando la fuente tiene forma esférica o es una partícula que transmite su vibración por igual en todas direcciones. El frente de onda está formados por esferas concéntricas.
  

      Las ondas sonoras en el mar son de este último tipo.

Propiedades de las Ondas

      La descripción matemática del movimiento ondulatorio describe la situación de una curva que "viaja" o se propaga, y que en una situación ideal lo hace sin deformación, a lo largo de un eje. Si consideramos que en el caso más complejo, las ondas son esféricas, podemos evaluar el movimiento de una sola de las partículas y extender el resultado a todas direcciones.
      En un movimiento ondulatorio se propagan dos magnitudes físicas: MOMENTO y ENERGIA, es decir, no se propaga la materia sino su estado de movimiento.
      Se deben considerar las siguientes propiedades:

          Frecuencia:

          Periodo:

          Longitud de onda:

          Intensidad:

I: Intensidad acústica.
p: Presión.
z: Resistencia del medio al movimiento de la onda.

      La velocidad de propagación del sonido en un medio es directamente proporcional a la presión e inversamente proporcional a la densidad del medio en el que se propaga. Esto indica que la velocidad del sonido varía al modificarse las condiciones del medio por acción de otros agentes.

      Cuando la fuente de ondas y el receptor están en movimiento relativo respecto al medio material en el que se propaga la onda la frecuencia de las ondas recibidas es distinta de las emitidas por la fuente. Todos hemos observado este efecto cuando parados en una carretera oimos un coche acercarse y la sensación sonora es más grave cuando está lejano y se hace más aguda conforme se acerca.
     Este fenómeno recibe el nombre de EFECTO DOPPLER en honor al físico C. J. Doppler, quien lo observó por primera vez.
     Suponiendo que hay una fuente sonora moviéndose hacia la derecha, como en la figura, con velocidad V_s a través de un medio en reposo y observando la fuente en distintas posiciones, 1, 2, 3 y 4, se puede apreciar que después de un tiempo T, contado a partir de la posición 1, las ondas emitidas en las sucesivas posiciones ocupan las esferas 1, 2, 3 y 4, que no son concéntricas. La separación entre las ondas es menor en el sentido en el que la fuente se mueve. Para un receptor a uno u otro lado, corresponde a una menor o mayor longitud de onda, y por tanto, a una mayor o menor frecuencia.

F_r: Frecuencia recibida.
F_e: Frecuencia emitida.
V_er: Velocidad del receptor respecto a la fuente.

En el caso de que el receptor no se encuentre en la dirección de propagación la fórmula se convierte en:

ß: Angulo entre el receptor y la dirección de propagación.

 Velocidad del Sonido en el Mar

      La velocidad de propagación del sonido en la mar es el parámetro más importante que se debe conocer para saber el comportamiento del sonido en este medio. En realidad lo que interesa es el conocimiento de la CELERIDAD, que representa solo el valor escalar de la velocidad y no su dirección ni su sentido, ya que al referirnos al sonido en la mar, la propagación se realiza mediante ondas esféricas y en todas direcciones.
      La celeridad del sonido en la mar responde a la fórmula:

c: Celeridad.
u: Coeficiente de compresibilidad.
d: Masa específica.
      Pero el coeficiente de compresibilidad del medio varía con la profundidad, mientras que la masa específica depende de la temperatura y salinidad del agua.
      Se puede ver así, que la celeridad con la que el sonido de propaga en el mar no es uniforme, y el comportamiento de los rayos sonoros, así se designa a las trayectorias que siguen los frentes de ondas, depende de este hecho.
      Así pues hay tres factores determinantes en la celeridad que son: TEMPERATURA, SALINIDAD y PRESION. El grado de influencia de los mismos en el valor de la celeridad ha sido objeto de investigación durante muchos años y se ha acometido en sentido teórico, mediante formulación matemática y en sentido experimental, lo que ha permitido obtener fórmulas empíricas a partir de las observaciones realizadas.
      El primer resultado práctico fué la fórmula de DEL GROSSO en 1960, seguido del de WILSON y perfeccionado por MACKENZIE en 1981 cuyo resultado es:

• c: Celeridad en mts/seg.
  T: Temperatura en :C. Entre 0 y 30.
  D: Produndidad en metros. Entre 0 y 8.000.
  S: Salinidad en partes por mil. Entre 30 y 40.
  

Propagación del Sonido en el mar

      La superficie radiante de un emisor submarino al vibrar, induce a las partículas del medio a desplazarse de sus posiciones de reposo. Dentro del límite de elasticidad del medio, las vibraciones del emisor, pueden transmitirse a grandes distancias, ya que las partículas adyacentes provocan perturbaciones sucesivas de modo que la señal emitida se transmite en forma de ondas que se alejan de la fuente.
     La ecuación diferencial fundamento de la acústica ondulatoria que gobierna la propagación de las ondas es:
en las que c es el valor de la celeridad en el punto (x,y,z) , p la presión y t el tiempo.
     Esta ecuación relaciona la presión acústica (energía) en un determinado punto del medio, con las coordenadas de ese punto y en un momento dado.
     No siempre es posible encontar soluciones a la ecuación dada, lo que implica que en muchos casos no puedan obtenerse expresiones exactas que sirvan de base para el cálculo de la intensidad acústica en el océano.

      Desde 1960 se ha puesto gran interés en el desarrollo de modelos matemá:ticos capaces de analizar y tartar los datos obtenidos experimentalmente en acútica submarina. Con independencia del tipo de modelo de cálculo las aplicaciones caen en dos categorias básicas: INVESTIGACION y OPERATIVIDAD. En el primer caso está dirigido a la precisión, normalmente en ambientes de laboratorio en los que no es importante el tiempo; en el segundo por el contrario se soportan escenarios reales, incluyendo actividades de defensa y por lo tanto han de ejecutarse rápidamente, en condiciones que no serán las más adecuadas, pero que necesitan de la toma de una decisión y por lo tanto se subordina la precisión a la rapidez del cálculo.
      El punto de partida de todos los modelos es la ecuación de ondas para una fuente puntual, ya descrita.
      Hay dos aproximaciones a la solución de la ecuación de ondas: MODOS NORMALES y RAYOS, y dentro de ellos dos nuevas clasificaciones: modelos independientes del alcance, que suponen una simetría cilíndrica en el mar, es decir, sin estratificación horizontal, y modelos dependientes del alcance, donde dicha estratificación es considerada.
      El modelo de MODOS NORMALES calculan la integral de la ecuación de ondas o la expanden en función de un conjunto finito de "modos normales". Cada uno de estos modos supone que la solución de la ecuación es el producto de una función dependiente de la profundidad y de una función dependiente del alcance.
      El modelo de RAYOS se basa en el supuesto de que la energía sonora es transmitida a lo largo de trayectorias (rayos) que son líneas rectas en todas las partes del medio en que la velocidad del sonido es constante, y líneas curvas, de acuerdo con las leyes de refracción donde la velocidad del sonido es variable.
      Para entender lo que es un rayo sonoro, supongamos una fuente sonora omnidireccional que vibra produciendo ondas esféricas. La superficie de la esfera cuyos puntos vibran con la misma fase es el denominado 'frente de onda'. Si nos fijamos en la dirección en que la energía fluye, hay que pensar en un conjunto infinito de radios que surgen del centro de la fuente. Estos radios son los llamados 'rayos sonoros' y son en todo momento perpendiculares a los frentes de onda generados. El modelo físico que impone el modelo de MODOS NORMALES es la suposición de que tanto las superficie como el fondo sean perfectamente planos y que el medio de propagación sea homogéneo, lo cual es una simplificación muy atrevida cuando se trata del mar. Además la búsqueda de soluciones exactas a la ecuación de ondas es matemáticamente compleja y difícil de interpretar.
      El modelo de rayos presenta una solución menos compleja y de fácil interpretación visual, pero tiene las siguientes restricciones de aplicación:

1. Cuando los radios de curvatura de los rayos son mayores que la longitud de onda.
2. Cuando la velocidad del sonido varí apreciablemente a lo largo de distancias inferiores a la longitud de onda.

Señal y Ruido

     Tradicionalmente las profundidades marinas han sido consideradas como un espacio eminentemente silencioso, sin embargo, los sonidos que pueden captarse en los más recónditos lugares de nuestros mares son comparables en nivel a los que existen en un jardín tranquilo.
     Las señales acústicas recibidas en el océano tienen una enorme variedad de orígenes. Pueden ser generadas por fenómenos naturales, por organismos marinos, actividad humana, etc.. Todas ellas tienen una composición compleja formada por la suma de diversas componentes que varian en amplitud y en fase, muchas veces de manera aleatoria. Todo este conjunto de señales se califica como RUIDO.
     Cada aplicación del SONAR implica realizar una observación de la onda sonora; en algunos casos basta con detectar su presencia, identificada con la fuente que lo produce y en otros se requiere una valoración de sus características. Todo sonido sobre el que se requiere realizar una valoración se califica como SEÑAL.
     Un mismo sonido puede ser calificado como SEÑAL o como RUIDO dependiendo del oyente o receptor. Por ejemplo, el sonido producido por un barco puede ser calificado como RUIDO por el emisor, ya que obstaculiza su propia escucha, mientras que es calificado como SEÑAL por el receptor ya que le suministra información.
     A veces la señal surge ante el receptor junto con otras que degradan la precisión y/o fiabilidad de la observación. Cualquier señal que obstaculiza la observación de otra señal se llama INTERFERENCIA.
     Como todos los sonidos la intensidad del ruido se mide en dB.. Pero debido a su compleja composición se utiliza el nivel espectral, es decir, el nivel en un ancho de banda de 1 Hz. de la frecuencia elegida. Este nivel se denomina NIVEL DE RUIDO.
     La magnitud de la señal con relación al nivel de ruido se conoce como RELACIÓN SEÑAL RUIDO. En cada aplicación de SONAR el sistema tiene un valor crítico por debajo del cual la observación de la señal es insatisfactoria.
     Cuando el ruido de la mar se origina en numerosas fuentes o cuando las mismas no son fácilmente identificables el ruido se califica como RUIDO AMBIENTE o RUIDO DE FONDO, que se caracteriza por ser isotrópico, es decir, reune las mismas características en todas direcciones. El ruido ambiente se refiere pues, al ruido que queda después de identificar todas las fuentes conocidas.
     El ruido en la mar es bien conocido, ya que existen numerosos trabajos de investigación, a partir de los cuales se han definido métodos para predecir los niveles de ruido por zonas y condiciones ambientales.

Analisis de Sonar

     El SONAR se utiliza como medio de obtención de información. Para ello se precisa la detección de un contacto y el análisis acústico del mismo para obtener las características que permitan, mediante una evaluación de los datos, su clasificación.
     Una detección existe cuando se obtiene una señal reconocible sobre el ruido de fondo. A menudo el proceso de detección es complejo ya que la señal es debilmente perceptible.
     Cuando hay una detección comprobada se inicia el análisis que es un proceso dinámico en el que se evalúan los datos procedentes del contacto con el fin de clasificarlo e identificarlo de forma concluyente. Así por ejemplo, una vez detectado un eco en el SONAR ACTIVO, se trata de identificar si proviene del fondo, de un cetáceo o de un submarino.
     En el procedimiento de análisis de usan diversos medios y equipos. Con los equipos de pretende el estudio íntimo de la señal detectada y con otros medios el comportamiento de la misma. Uan de las formas de analizar un contacto sonar consiste en comprobar su movimiento, de esta forma puede saberse si está inmóvil o tiene dirección y velocidad constantes o erráticas.

    Cuando se utiliza el SONAR ACTIVO el análisis se centra en el eco devuelto por el objeto sobre el que incide la emisión sonar.
     La detección por SONAR ACTIVO permite conocer la dirección y la distancia a la que se encuentra el eco desde el transmisor, si se conoce la velocidad del sonido en el agua. En el caso de no conocerla exactamente, se puede promediar con una cantidad representativa de la celeridad para la latitud en la que se encuentren el emisor y el eco. Unos pocos metros/segundo de error respecto a la celeridad real, teniendo en cuenta que los alcances de SONAR ACTIVO son relativamente pequeños , no introducen un error sustancial en la distancia obtenida frente a la real.
     La distancia es por tanto:

Analisis de banda Ancha y Estrecha

     Se llama análisis en banda ancha al que se efectúa mediante SONAR PASIVO en toda la banda de frecuencias de escucha del transductor, que puede abarcar desde unos pocos Hz. a varias miles.
     Tradicionalmente este tipo de análisis es realizado escuchando directamente el sonido proveniente del mar, por lo cual se precisa mucha experiencia para ser capaz de diferenciar el origen de las señales recibidas.
     De la escucha directa sobre el ruido es posible obtener abundante información, principalmente de los elementos más ruidosos de un contacto: la hélice y la planta propulsora.
     El efecto de cavitación y el de batido de una hélice permite contar las revoluciones a las que gira, con lo que puede obtenerse una idea sobre la velocidad del contacto. Otros efectos como el "canto de hélice" ayudan al mantenimiento del contacto, es decir, facilitan reconocer la dirección a la que se debe dirigir la escucha. Los ruidos hidrodinámicos, sonidos a hueco y otros efectos, dan una idea de la carga y el tonelaje del contacto.
     El ruido de propulsión es con diferencia, la mayor fuente de datos en la escucha. Permite conocer el tipo de propulsión del contacto: motores diesel, turbinas de gas o vapor, motores eléctricos. Este dato aporta las restricciones necesarias para clasificar el contacto, si se trata de un barco o submarino, entre un grupo determinado, más restringido, para permitir posteriormente su identificación. Un análisis más exhaustivo del ruido de propulsión permite conocer la potencia de su máquina y su respuesta a las variaciones de velocidad.
     Además de los ruidos permanentes de la planta propulsora y hélices, existen otros ruidos de maquinaria que es posible detectar y analizar, como son los ruidos de maquinaria auxiliar y los TRANSITORIOS. Los primeros son los que se producen por los equipos que se encuentran acoplados a la planta propulsora y los de funcionamiento intermitente. Entre los primeros pueden existir compresores, bombas de combustible y agua, ventiladores, etc., y entre los segundos bombas de achique, grupos de aire acondicionado, etc. Los TRANSITORIOS son ruidos cortos e intensos, a veces no específicos que se producen aleatoriamente, por ejemplo, el sonido de un timbre, o la caida de un objeto. Muchas veces la detección y clasificación de un TRANSITORIO es definitiva en la identificación de un contacto; por ejemplo, un contacto del que se oye la propulsión y su hélice, emite transitorios de disparos de cañón permite clasificar dicho barco como un buque de guerra.
     Al igual que en el análisis de ecos, el conocimiento del movimiento del contacto es extremadamente importante. A diferencia del SONAR ACTIVO, el SONAR PASIVO no permite obtener distancia al contacto (existen telémetros acústicos pasivos en la actualidad, que permiten conocer este datos con algunas restriccciones), pero las distancias de detección son mayores y permiten obtener gráficos de tiempo-dirección a partir de los cuales y mediante un elaborado proceso, algunas veces asistido por ordenador, obtener la dirección, velocidad y distancia del contacto.
     Además del ruido procedente de los contacto es posible asimismo analizar las emisiones sonar procedentes de otros equipos, y que llegan a nuestro receptor. En este caso es posible conocer todos los datos de la emisión como la frecuencia, la longitud del pulso, el intervalo entre emisiones, la dirección de la que proviene, el tipo de emisión (frecuencia modulada o pulsos de frecuencia pura, tanto por ciento de modulación), e incluso la distancia en algunos casos, bien por el nivel de la señal recibida, o bien por la diferencia de tiempo en que tarda en llegar al receptor el rayo directo desde el emisor y el o los rayos reflejados en el fondo.
     Cuando la profundidad en la zona en mayor de cierta cantidad y siempre que las pérdidas por rebote en el fondo no sean tan cuantiosas que debiliten en exceso la señal reflejada, es posible medir el tiempo entre la recepción del rayo directo desde el emisor y el rayo reflejado, que llegará más tarde al receptor. A partir de esta diferencia y conociendo la profundidad del emisor y la del fondo se puede calcular matemáticamente la distancia al emisor.

     Se llama BANDA ESTRECHA a un ancho de banda menor del 1% de la frecuencia que se considera. La técnica de análisis espectral en banda estrecha aumenta los alcances de detección porque consigue mejor relación señal/ruido y permite obtener información del contacto que el oído humano es incapaz de discernir.
     Básicamente el análisis espectral trata de descomponer una banda de ruido recibida en los tonos fundamentales que la forman para presentarlos en un gráfico que permita su interpretación. Existen varias técnicas para lograrlo, pero las dos más usuales son el FILTRADO y la TRANSFORMACION.
     El FILTRADO consiste en la elaboración de una serie de filtros de paso de banda adyacentes, con lo cual se descompone la señal en sus componentes individuales de frecuencia. La TRANSFORMACIÓN es el método más utilizado y se basa en el Teorema de Fourier y en su transformada rápida que permite expresar una señal obtenida en el dominio del tiempo descompuesta en sus frecuencias constitutivas y almacenando la amplitud de cada componente en el dominio de la frecuencia.
     Las frecuencias obtenidas tras el proceso de filtrado o transformación se representan gráficamente al objeto de poder analizarlas de forma visual. Existen dos tipos básicos de presentación en ejes coordenados: La presentación frecuencia/amplitud o ALI y la presentacisn en frecuencia/intensidad/tiempo o CASCADA. El primer tipo es adecuado para ver las señales en tiempo real, es decir, en el mismo tiempo en que se producen, por lo que resulta especialmente útil en el análisis de transitorios, mientras que el segundo tipo es ideal para analizar señales de larga duración como los ruidos de la planta propulsora, ya que puede apreciarse la evolución de la señal.

Basado en el trabajo de Luis A. Candelas, http://webs.ono.com/usr047/luiscandelas/index.html

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